Über die technologischen Eigenschaften von Berylliumoxid-Moderatorelemen/en für einen thermischen Hochtemperatur-Brutreaktor vom Kugelhaufentyp

Buresch, F. E.

Book/Report

FZJ-2016-02708

Über die technologischen Eigenschaften von Berylliumoxid-Moderatorelemen/en für einen thermischen Hochtemperatur-Brutreaktor vom Kugelhaufentyp

Buresch, F. E. (Corresponding author)FZJ*

1968
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 552, 80 p. (1968)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/11259

Report No.: Juel-0552-RW

Abstract: Berylliumoxid ist wegen seiner guten nuklearen Eigenschaften als Werkstoff für Moderatoren und Reflektoren, als Hüllmaterial für Brennelemente und als Matrixelement für Brenn- und Brutstoffe in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren und in Reaktoren mit Metall- und Salzschmelzen vorgeschlagen worden. Es verbessert aufgrund der (n,2n)-Reaktion die Neutronenökonomie. BeO-Keramik erfährt durch schnelle Neutronen eine Strahlenschädigung, welche ihren Einsatz bei niedrigen und mittleren Temperaturen auf den Bereich kleiner Flüsse beschränkt. Oberhalb 12oo C kann Berylliumoxid jedoch auch großen Flüssen schneller Neutronen ausgesetzt werden, weil dann die Erholungsrate der Strahlenschäden sehr groß ist. BeO-Sinterwerkstoffe werden durch die bekannten keramischenHerstellungsverfahren vorwiegend aus einem schwach kalzinierten Pulver hergestellt, welches nach verschiedenen Aufbereitungsverfahren der BeO-Erze durch die thermische Zersetzung von Sulfat, Hydroxid oder Acetat u. a. gewonnen wird. Durch die Aufbereitungsverfahren und das Kalzinieren entstehen Pulver, welche sich hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften stark voneinander unterscheiden und auch bei gleichen Prozeß von Charge zu Charge sehr heterogen sind. Diese Heterogenität ist bei allen metallurgischen und keramischen Hüttenprozessen üblich. Sie tritt jedoch bei den keramischen Aufbereitungsund Herstellungsverfahren stärker hervor, da hier - im Gegensatz zu den Metallen - eine "Homogenisierung" durch den Schmelzprozeß fehlt. Nur in seltenen Ausnahmefällen liegt in keramischen Werkstoffen das heterogene Gleichgewicht des vorliegenden Mehrstoffsystems vor. Das aus Sulfat oder Hydroxid u.a. gewonnene Ausgangspulver ist in seiner Kristallstruktur stark gestört.. Es soll für den eigentlichen Sinterprozeß eine hohe Reaktionsfähigkeit haben und wird deshalb nur knapp über der Zerfallstemperatur der Salzekalziniert.Die Größe der Kristalle liegt im Bereich einiger hundert 8; sie sind vielfach pseudomorph. Die Verunreinigungen des Ausgangspulvers sind für jeden Herstellungsprozeß charakteristisch. Wie bei den "Ziegelbäckern" wird auch bei der fortschrittlichen Keramik für Reaktoren und Raumflugkörper zum "besseren" Sintern der Masse ein sogenanntes "Flußmittel" zugesetzt. Dieses Flußmittel soll die Reaktionstemperatur und -zeit des Sinterprozesses erniedrigen bzw. verkürzen. Für BeO-Keramik sind als Flußmittel bisher bevorzugt reine Oxyde, wie CaO, MgO, Fe$_{2}$O$_{3}$ und Si O$_{2}$ oder auch Minerale, wie z. B. Cordierit, Wollastonit oder Bentonit, verwendet worden. Die Formgebungsverfahren, wie Schlickerguß, Strangpressen, Kalt- oder Heißpressen, bedingen Massen unterschiedlichen Gehaltes an fluider Phase. Schließlich kann der Sinterprozeß in unterschiedlicher Atmosphäre, Temperaturund Zeit durchgeführt werden. Unter sonst gleichen Bedingungen ergibt jedes Ausgangspulver mit jedem Formgebungs- und Sinterverfahren ein anderes Gefüge mit ganz bestimmten technologischen Eigenschaften. Die charakteristischen Unterschiede sollen durch einen Literaturvergleich im folgenden genauer besprochen werden. Auf grundlegende Eigenschaften des Ausgangspulvers , wie z. B. den Einfluß der Tracht und des Habitus seiner Körner auf die Oberflächenspannung wird in dieser Studie nicht eingegangen. Das gleiche gilt z.B. auch für die Schmelz- und Lösungsenthalpien und den Dampfdruck oder die Oberflächenspannung der interkristallinen Phase. Hierüber und über andere wichtige Eigenschaften finden sich im Schrifttum zur Zeit keine oder nur unvollständige Angaben. Bei der Beurteilung der physikalisch-chemischen und technologischen Kennwerte von BeO anhand des zur Zeit vorliegenden Schrifttums ist zu berücksichtigen, daß sie zu einem großen Teil an laboratoriumsmäßig hergestellten Proben ermittelt wurden. Im Rahmen der von der KERNFORSCHUNGSANLAGE Jülich GmbH, des Landes Nordrhein-Westfalen betriebenen Brüterstudie sollen zur Ausnutzung des Thorium-Zyklus in einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor vom Kugelhaufentyp ein Teil der Brennelemente - das sind die mit "Schalenkörnchen" (coated particles) gefüllten Graphitelemente - durch BeO-Moderatorelemente ersetzt werden. Die BeO-Elemente werden dabei genauso wie die Brennelemente laufend umgewälzt. Somit ist es möglich, die BeO-Moderatorelemente nach jedem Durchlauf durch das Core des Reaktors einer Wärmebehandlung zu unterwerfen (1 bis 3). Durch die Wärmebehandlung soll die im BeO als Folge der Strahlenschädigung und der Kernprozesse aufgetretene Volumenexpansion ausgeheilt bzw. das Reaktorgift Li und das He abgedampft werden. Die technologischen Eigenschaften dieser BeO-Moderatorelemente müssen sich deswegen grundsätzlich von denen unterscheiden, welche an "herkömmliche" BeO-Keramik für Reaktoren gestellt werden.Die technologischen Spezifikationen und die Möglichkeit ihrer Verwirklichung sollen im folgenden dargestellt werden (4 bis 9).

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